專利名稱：廢水處理方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及水和廢水的處理，更為具體地說，是涉及一種處理家庭、城市和可進行生物降解的工業(yè)廢水之新方法及裝置。本發(fā)明特別涉及一種利用生物膜、充分的充氣和攪動及將混合液中懸浮固體(MLSS)顆粒減小的方法對廢水進行處理。
六十年代后期和七十年代初期，由于水資源迅速惡化，美國著手開始一項大規(guī)模改進城市廢水處理的計劃。這項計劃旨在維持江河及溪流水的質(zhì)量，阻止這些水資源進一步被污染，使子孫后代仍可享用這些資源。作為該計劃的一部分，環(huán)境保護署(EPA)撥款數(shù)十億美元給各市政府，用以幫助其改進城市廢水處理技術(shù)。這些撥款大大地改進了整個美國廢水處理的狀況，隨著江河及溪流水質(zhì)量的改進，現(xiàn)在江河及溪流中的水生植物和有關(guān)環(huán)境正在得以新生。盡管如此，仍有相當數(shù)量的市政府或私人廢水處理廠不能達到環(huán)境保護署污染排放許可標準，致使其每年所交罰金約計數(shù)百萬美元。事實上，更為重量的是廢水污染仍然存在。例如，在整個美國，每分鐘大約有4.2萬加侖的廢水由厭氧菌處理槽流入地下。這是地下水被污染及帶菌的一個重要來源。進一步說，此問題并非僅發(fā)生在美國，而是一全球性問題。此外，傳統(tǒng)的廢水處理方法造成相當數(shù)量的淤渣，而處理這些淤渣必須使用花費昂貴的方法，如污泥消化裝置，或采用與固體廢水一起掩埋，或注入土地層的方法。從下文的描述可知，本發(fā)明可解決這些問題。
由于政府資助，時至今日，越來越多的廢水處理廠投入運作，而處理廢水的工藝卻在七十多年間無實質(zhì)上的改進。傳統(tǒng)的處理工藝在多方面被加以應(yīng)用，但它們基本上無甚區(qū)別。
在所有處理家庭、城市、及可進行生物降解的工業(yè)廢水的工廠中，其中80%以上采用活性污泥處理工藝，該工藝使用在水中游離的生物，以消化溶解在廢水中或懸浮在廢水中的有機物質(zhì)。
這種活性污泥處理工藝有幾項缺陷。廢水處理的效果由于各種工藝過程不同而有很大區(qū)別，并導(dǎo)致極為不同的污染結(jié)果。進一步說，活性污泥處理工藝對溫度極為敏感，在低溫及溫度急劇變化時運轉(zhuǎn)不良。此外，這種工藝造成大量固體淤渣，如何處理這些淤渣也是一個嚴重的問題。使用額外的土地處理淤渣會增加城市廢水處理對環(huán)境的影響。如果不使用這種處理方式，廢水處理廠就不得不花費大量資金建立淤渣消化裝置。
活性污泥處理工藝主要是使盡可能多的固體顆粒沉降，同時使用生物降解制劑(細菌)來消化廢水中的有機物質(zhì)?！拔勰嗯蛎洝笔亲畛Ｒ姷脑斐晒腆w分離不好及廢水處理不良的原因，它通常在生物固體不能迅速沉降凝結(jié)的情況下發(fā)生(見Rittman，1987，第132頁)。一般認為這種情況是由于產(chǎn)生了大量絲狀微生物造成的，它們增加了固體物沉降和絮凝的阻力。這些細微顆粒延緩了沉降速度。顆粒本身由小顆粒凝結(jié)為大顆粒的相互凝結(jié)作用也非常重要。同樣，由于要處理的廢水數(shù)量很大，沉降所需的時間亦很重要。好的沉降效果意味著大顆粒的固體物將不大可能會被帶入下一步處理步驟或處理槽中。
采用活性污泥處理工藝所處理的廢水中都含有一定量的有機或無機物質(zhì)懸浮在廢水中。這通常被稱為混合液中的懸浮固體或“MLSS”。廢水中的懸浮顆粒和溶解的有機物質(zhì)在MLSS中相互混合。需氧菌用以處理廢水中有機物質(zhì)所需的氧氣稱為生化需氧量或BOD。處理后排放的廢水質(zhì)量部分由其中所含的懸浮體或“SS”，一般采用毫克/升單位，以及廢水的BOD標準來測量。環(huán)境保護署對廢水處理廠的BOD及SS均有規(guī)定標準。
為了去除和降低SS和BOD，人們發(fā)展了一種使用生化處理的方法。這種方法在廢水處理過程中使用了多年，其有幾種不同的名稱，例如，隨著生長、固定生化膜，或接觸氧化工藝(見Rittman，1987)。生化膜是指生長在載體上并能夠消化或分離廢水中懸浮或溶解的有機物質(zhì)的一層生物活性微生物或介質(zhì)。這些生化介質(zhì)可在載體上一直生長，直到形成一層膜或“生化膜”。如此，那些載體便又提供了更大的表面，以利于生物介質(zhì)的生長和運作。生化膜是由在流動的河水和空氣中的微生物自發(fā)地“接種”而成，一般生物膜的生長需幾個星期。
生化膜工藝可以許多方式使用。例如可用在滴濾池中，生物介質(zhì)包裹住水石子，廢水經(jīng)由石子的空隙滴下;也可用在旋轉(zhuǎn)生化接觸器中，生化介質(zhì)包裹住活動的機械載體;也可用在充氣池中的過濾墊中，生化介質(zhì)可在其過濾材料上生長;同時也可用于充氣池中的懸浮球上，這些球同樣可在表層生成生化介質(zhì)層。
這些工藝都有不少的缺陷。例如，過濾墊由于經(jīng)常被堵塞，而產(chǎn)生了更換的問題，使該工藝的使用既不實用，而且浪費。生化膜包裹懸浮球的缺點是，球表面的生化膜不能保持在應(yīng)有的厚度上，以最有效地消化有機物質(zhì)和懸浮固體。同時，這種工藝同樣產(chǎn)生大量的淤渣，而必須使用其它昂貴的辦法，如淤渣消化池、脫水工藝，土地掩埋，或地下注入。
由于上述種種缺陷，人們又發(fā)展了一種稱為生物接觸氧化的新方法。這種方法是在充氣池中鋪上塑料管，以利生物膜在管內(nèi)外生成(生化膜由流水和空氣中的微生物產(chǎn)生)。這種方法是把活性污泥處理方法和生化膜方法結(jié)合在一起。當BOD濃度高時，生化膜生長所需的表面積也相應(yīng)增加。這就需要較小直徑的塑料管。但由于管直徑的縮小增大了管子被堵塞的機會，這成為一個重要的問題。由此而產(chǎn)生了一個生化膜生成所需表面積的通用標準。如采用的是壓縮空氣或水面充氣，管道堵塞會更加嚴重。此外，生化膜的生長也會加快管道堵塞。
當管道出現(xiàn)堵塞時，整個系統(tǒng)的效率便會降低，直到廢水處理設(shè)備不得不停機進行清理。當設(shè)備清理后再次啟動運行時，由于生物膜的緩慢形成，廢水處理的效率會有一段遲滯，有時需三個星期之久，整個廢水處理系統(tǒng)才能恢復(fù)正常運作。
生物接觸氧化技術(shù)采用的是一種慢速循環(huán)水流和輕度攪拌工藝。使用這種工藝有許多原因。首先，由輕度攪拌而產(chǎn)生的慢速循環(huán)水流可以產(chǎn)生更完全的生化降解作用。第二，幾種可能產(chǎn)生污泥膨脹的絲狀微生物都對溶解氧有高度的親合力。第三，在處理槽或處理池中的漫速水流減少了固體顆粒的破碎，這樣就便于將大顆粒由水中分離出來，以降低水中懸浮固體(SS)的濃度。
然而，前面所述現(xiàn)有工藝中的MLSS顆粒的形成一般被認為是不理想的(見Rittman，1987)。使用生化膜載體結(jié)構(gòu)確實增加了表層面積，因而產(chǎn)生了更多的生化介質(zhì)來消化有機物質(zhì)。但現(xiàn)有技術(shù)要求大多數(shù)處理方法需用輕柔水流和大顆粒有機物固體顆粒，而這兩項都會造成使用中的生化膜載體結(jié)構(gòu)堵塞，以及必須用昂貴的方法處理大量淤泥。
目前采用的處理方法還有一項難題，即經(jīng)處理后釋放到自然環(huán)境中或進行第三級處理的水中溶解氧(DO)的含量普遍太低。通常，廢水的充氣并不能使處理后的廢水中溶解氧的含量達到環(huán)境保護署的要求。但溶解氧對維持許多水生物的生命非常必要，而且對以后進一步的水處理也很重要。這就說明或者要進一次充氧以增加溶解氧，這樣會增加處理工藝的時間和花費;或者將未完全處理好的，含有許多對水中生物不利成分的廢水傾入河流，除非采用昂貴的第三級處理才可以避免上述情形發(fā)生。在大多數(shù)地區(qū)，環(huán)境保護署有關(guān)污染物排放標準都要求溶解氧必須維持一定水平，但目前廢水處理技術(shù)大多難以達到環(huán)保署有關(guān)標準。
如前所述，在載體上的各種固定表面直接或間接附著生成的生物群被稱為“生化膜(biofirm)”(見Rittman，1987)。多年來，人們一直致力于如何增強生化膜的生成，這成為各種工藝改進的一個課題。
諾頓公司(NortonCo.)的專利(GB1498360)和海德耐爾有限公司(HydronylLimited)的專利(GB1439745)均描述了可生成生化濾膜的各種載體，這些載體為生化膜的形成提供了大的表面積。另外一種可增大表面積以促進生物膜形成的方法在殼牌國際研究瑪茨查皮哥公司(ShellInternationalResearchMaatschappigBV)的專利(GB1315129)中也有所描述。該方法采用多股合成有機聚合物為生化膜提供更大的表面積。還有一種類似的方法可見于歐洲專利EP301237，該方法采用一種對圓筒形濾器進行包裹的方法為生化膜的形成提供大面積的表層。
另外一種改進則集中于如何改變廢水與生化膜的實際接觸。例如，克拉吉斯特環(huán)境工程有限公司(KlargesterEnvironmentalEngineeringLimited)的專利(GB215497)描述了一種采用旋轉(zhuǎn)圓筒形接觸器的方法，該接觸器基本上由一組在其表面生有生化膜的圓筒形物體組成，隨著旋轉(zhuǎn)，其表面的生化膜與廢水進行接觸。一種類似的采用旋轉(zhuǎn)生化接觸器的方法也可見于賽文特文特水廠有限公司(SevernTrentWaterLimited)的國際專利申請中(PCT/GB91/01177)。其它一些資料也描述了或者用機械方式使生化膜與廢水進行接觸，或?qū)⑸ど稍陟o止的載體結(jié)構(gòu)上而使廢水循環(huán)于生化膜之間。這些方法確實增加了生化膜與廢水間的接觸，但仍解決不了堵塞的問題。同時，所有這些方法仍會產(chǎn)生一定數(shù)量的淤泥，這些淤泥或被處理掉，或其中一部分，甚至是大部分隨水流放出工廠，從而增加了排出水的生化需氧量的淤泥，這些淤泥或被處理掉，或其中一部分，甚至是大部分隨水流放出工廠，從而增加了排出水的生化需氧量(BOD)和懸浮體(SS)。
如何保持生化膜一直浸在廢水中也是一個研究課題Wang(1991年)和Iwai(1990)等人均對此課題有所研究。二人均討論了采用浸在水中的生化膜進行廢水處理的問題。而Wang更描述了另外一種可增大生長生化膜表面積的生化膜載體結(jié)構(gòu)。采用浸在水中生化膜的商用設(shè)備可在市場上見到(SciencoSystem，Inc.)。
這種設(shè)備同時采用浸在水中的生化膜工藝和活性污泥處理工藝。這種Scienco系統(tǒng)花費大且維修難度大。更重要的是這種系統(tǒng)產(chǎn)生大量的淤泥，其收集和處理都不得采用如前所述花費昂貴的方法。日本廢水處理工廠所要達到的標準遠高于美國環(huán)保署的要求，但公布的結(jié)果是他們并未達到其標準。此外，這些工廠花費大，而且維修難度高。同時，這些工廠根本不可能擴大其處理廢水的能力。
廢水處理中的充氣工藝也是需研究改進的一個課題。目前為止，所討論的各種處理工藝中大多數(shù)均采用了某種形式的充氣，因為大多數(shù)微生物都需要一定量的氧氣。大多數(shù)的充氣方式是將壓縮空氣打入廢水池中。當然，也有采用機械充氣器的(見Rajendren專利4，844，843，及Haegeman專利4，540，528)。在廢水處理方面，充氣這一題目在書本中也有討論。Banerji(1991)在書中描述了在水下生化膜環(huán)境中水下空氣擴散裝置的使用。將充氣與生化膜載體結(jié)構(gòu)聯(lián)合使用也可見于專利(DE3900-153-A)和法國專利(FR2551-049-A)，此外，也可見于法國專利(FR2565-579-A)及其它專利。因此，如何在目前的廢水處理工藝中改進充氣方式及生化膜載體結(jié)構(gòu)也成為發(fā)展新工藝的課題。但所有這些方法仍然需要分離和處理淤泥。
工藝上的其它改進包括推動廢水流動的水下機械裝置。例如，專利EB-478-408-A描述了一種采用水中葉片將生化膜載體附近的廢水進行水平方向推動的方法。專利DE3619-247-A描述了一種充氣器，它可在池中進行更好的充氣。專利DE3715-023-A描述了一種可使廢水池中產(chǎn)生水流的充氣方式。但這種改進沒有考慮到水下生化膜的效應(yīng)。專利DE3718-191-A描述了一種用于流體攪動的機械裝置，它不但可攪動水流，同時對水流進行充氣。但上述發(fā)明均未涉及如何改變懸浮固體顆粒的大小，而僅涉及充氣以及池中循環(huán)水流，而不涉及池中內(nèi)容物的改變。
因此，雖然廢水處理工藝在一些方面得到了不同程度的改進，但這些改進都僅孤立地研究廢水處理的各個方面及步驟，而未真正地去研究并改進這些方面及步驟間的相互關(guān)系和作用。同時，這些改進均未象本發(fā)明一樣涉及改進廢水中顆粒的物理結(jié)構(gòu)問題。本發(fā)明在一這方面使廢水處理工藝有了很大改進。
本發(fā)明克服了綜上所述的所有缺陷，采用的工藝與技術(shù)與現(xiàn)有廢水處理工藝完全不同，但卻比現(xiàn)有技術(shù)效率高，效果好。
本發(fā)明涉及一種采用靜止的水下生化膜，并使用機械和生化方法將懸浮固體顆粒和有機物破碎為小顆粒，從而對水進行處理的方法。這種方法應(yīng)在充氣足夠的狀況下使用，以提供高濃度溶解氧，而使微生物可以完全地消化廢水中的有機物質(zhì)。
本發(fā)明基于如下發(fā)現(xiàn)即在比現(xiàn)有工藝氧氣轉(zhuǎn)換效率高的條件下，加上活性污泥處理工藝、或鼓風(fēng)機工藝及機械性破碎，使懸浮固體(SS)顆粒減小的狀態(tài)下，廢水處理中的生化膜可被大大地強化。因此，本發(fā)明提供了對廢水進行高效率充氣，同時使用更有效消化有機物的方法，使廢水處理更為強化，即經(jīng)處理后的排出水含有高濃度的溶解氧。本發(fā)明同時也提供了不同于目前廢水處理的方法，使用生物和機械方法減小懸浮有機固體顆粒的體積。這種聯(lián)合使用可使處理后的排出水含有較低的懸浮固體(SS)及生化需氧量(BOD)，并可極大地減少城市、工業(yè)及私營污水處理系統(tǒng)對環(huán)境的污染。
另外，本發(fā)明的目的是提供一種廢水處理方法，該方法使用高效率的氧氣轉(zhuǎn)換;減小懸浮有機固體顆粒的體積;及水下生化膜的生成。本發(fā)明的方法含有下列步驟1)將廢水進行充氣;2)在廢水進入生化膜充氣池之前或者之后減小廢水中懸浮固體顆粒體積;3)在廢水中形成水流并建成生化膜載體結(jié)構(gòu);4)在生化膜載體結(jié)構(gòu)表面生成生化膜;5)生化膜將小顆粒的有機物和已溶解的有機物進行消化，而后再根據(jù)需要對廢水進行更進一步的處理。
本發(fā)明另一目的是提供用于廢水處理的生化膜充氣設(shè)備。該設(shè)備可由下述幾個方面組成1)一個預(yù)處理池，用于分離有機和無機固體物以利以后對其進行物理和生化處理;2)一個生化膜充氣池，它包括一個充氣裝置，用于減小懸浮有機固體顆粒體積的裝置，一個生長在靜止的水下生化膜載體結(jié)構(gòu)上的生化膜，該生化膜載體結(jié)構(gòu)一直被浸沒在混合水中，在池中，由于充氣裝置和減小顆粒體積的裝置的動作，以及生化膜的消化功能，使有機物得以消化，而懸浮固體也由此得到最大程度的減少;3)一個沉淀池，在池中，剩余的固體顆粒和脫落的生化膜被沉淀出來，并被送回生化膜充氣池中再次處理，以避免其隨處理后的水流排放出該設(shè)備。
由于目前使用的處理工藝效率不高，本發(fā)明的另一目的是極大地簡化現(xiàn)有的預(yù)處理工藝，并取消其沉淀池，而代之以一個單一的生化膜充氣池進行廢水處理。
本發(fā)明另一目的是將懸浮有機物顆粒減小，這至少可通過水下快速旋轉(zhuǎn)的葉片來達到。在一優(yōu)選實施例中，采用了一個快速旋轉(zhuǎn)的吸氣管，其旋轉(zhuǎn)的尾部可作為葉片減小顆粒體積。在另一實施例中，減小顆粒體積是在預(yù)處理池中通過對有機物進行厭氧消化來達到的。
本發(fā)明另一目的是對待處理的廢水進行足夠的充氣?？衫盟轮锌瘴鼩夤芪膊康目焖傩D(zhuǎn)形成一個壓力差將空氣吸入中空管，空氣可從吸氣管尾部的孔中極大地釋放出來。此外也可采用將空氣或氧氣由水中管道壓進水中進行充氣，或采用其它方法。
本發(fā)明的另一目的是通過使用充氣裝置以及在某些實施例中聯(lián)合使用機械方法將懸浮顆粒體積減小，并形成一個有效的水流。
本發(fā)明另一相關(guān)的目的是提供一個生化膜載體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以具有一個例如方形、長方形、圓環(huán)形、橢圓形、三角形、八角形、六角形、或任何一種可以增加供生化膜生長的表面積的格狀形的橫截面。
本發(fā)明另一目的是將已處理過廢水中的懸浮固體物和生化膜在沉淀池中沉析出來。另一目的是將這些沉析出來的固體物和生化膜放回到生化膜充氣池中進行再次處理。
本發(fā)明的另一個目的是使用至少一個吸氣裝置同時進行充氣和減小懸浮顆粒。該吸氣裝置包括有一個中空吸氣管，許多中空壁狀桿，這些桿自中空管尾部呈放射狀地伸出。每一中空臂狀桿的頭部有一個孔。中空吸氣尾管與一中空管道相連，該管道通向外界空氣，因而在吸氣尾管中由于旋轉(zhuǎn)形成的低壓使空氣因壓差而被吸入管道。空氣由管道進入并沿空心尾管，由呈放射狀排列的臂狀桿上的小孔排出。由此，該吸氣裝置可對廢水進行充氣，同時利用尾管的機械作用將懸浮顆粒體積減小。
本發(fā)明另一目的是促進生化膜微生物的生長。這些微生物可能是傳統(tǒng)的生化膜處理工藝中的微生物的混合體，也可能是由于更好的充氣及更高的溶解氧而產(chǎn)生的新的微生物的混合體。這些微生物也可以是人為地放入生化膜充氣池中的微生物。
附圖簡要說明如下

圖1是包括有預(yù)處理池，生化膜充氣池及沉淀池的生化膜-充氣處理設(shè)備的圖解。
圖2是幾種供生化膜生長的豎直放置的塑料載體俯視圖。
圖3是本發(fā)明充氣裝置的圖解。
圖4是充氣裝置尾管的側(cè)視圖。
圖5是充氣裝置尾管的仰視圖。
圖6是充氣裝置尾管的俯視圖。
圖7是本發(fā)明鼓風(fēng)-生化膜實施例的側(cè)視圖。
圖8是本發(fā)明鼓風(fēng)-攪拌-生化膜實施例的側(cè)視圖。
圖9是本發(fā)明充氣-生化膜實施例的側(cè)視圖。
圖10是本發(fā)明水面充氣實施例的側(cè)視圖。
圖11是水面充氣裝置的俯視圖。
圖12是水面充氣裝置的側(cè)視圖。
圖13是本發(fā)明文丘里-生化膜實施例的側(cè)視圖。
圖14是本發(fā)明文丘里-生化膜實施例中文丘里裝置的側(cè)視圖。
圖15是本發(fā)明管狀充氣-生化膜實施例的側(cè)視圖。
本文中“生化膜充氣池”或等同詞是指本發(fā)明可以應(yīng)用的任何池，它可以是池或槽，或管等容器，既可為開放式，也可為加蓋封閉式。該池大小可根據(jù)水流速度及待處理的廢水量而定。例如，家庭廢水池可以比城市廢水處理工廠的池子小許多。池子的形狀或其水平截面，可根據(jù)需要而定。池子也可用各種材料制成，如混凝土，聚氯乙稀(PVC)，聚乙稀，玻璃纖維，或其它材料。池子可以設(shè)計為在一處或幾處，水面上安裝用于減小顆粒體積的機械裝置?；?qū)⒊刈釉O(shè)計為把機械裝置伸入池中進行工作。此外，也可將池子設(shè)計為不必使用機械攪拌裝置。例如，可在池中安上折流板和噴射口，其攪動作用已足夠減小懸浮固體顆粒(MLSS)的體積，并推動水流循環(huán)。
“生化膜”或“生物群體(biomass)”，或等同詞是指生長在載體表面的微生物。生化膜是一層微生物，它可在生化膜充氣池中消化污水中的有機物質(zhì)。
“生化膜載體結(jié)構(gòu)”或等同詞是指可支持本處理方法微生物生長的任何材料。本發(fā)明可使用多種固體載體介質(zhì)，可用塑料、玻璃、陶瓷、金屬、橡膠、聚合物，纖維素質(zhì)材料等材料制成。同樣，本發(fā)明也可使用多種結(jié)構(gòu)的載體介質(zhì)。一些可采用的結(jié)構(gòu)見圖2，但這僅為說明可能性的例子，并不是對所用結(jié)構(gòu)的限定。凡具有與本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)相同效果的結(jié)構(gòu)均在此定義范圍內(nèi)。
“減小顆粒體積”或等同詞是指廢水中懸浮有機物顆粒的大小比其進入廢水處理設(shè)備時有所減小。如前所述，這種減小既可在預(yù)處理池通過厭氧消化產(chǎn)生，也可在生化膜充氣池中通過機械裝置，或聯(lián)同使用各種其它方法產(chǎn)生。一般來說，肉眼應(yīng)能看出水中顆粒的這種減小。
“水流”、“水流循環(huán)”或等同詞是指池中廢水的流動，其流動速度應(yīng)足夠?qū)U水進行有效處理，并可以推動廢水在生化膜載體結(jié)構(gòu)之間流動。很明顯，水流在整個生化膜充氣池中沒有必要固定不變。理想的水流應(yīng)可以隨著生化膜的不同而變化。例如，如果生化膜是由效率極高的微生物接種而成，水流的速度就可不同于自然生成化膜狀態(tài)下的水流速度，或快或慢。一般水流速度應(yīng)以不損害生化膜為準。
“水下空氣管道”或等同詞是指可提供給廢水空氣或氧氣的管道。該管道可安置在生化膜充氣池水下，并可在管道上設(shè)計一排出氣口或僅有一個出氣口。另一種方法是，管道在池的外部，而有一個或多個出氣口裝在池壁上。
“剪切刀”是用來形容由轉(zhuǎn)動的吸氣尾管上的臂狀管或其它葉片，或其它機械性充氣裝置所產(chǎn)生的力，該力作用在廢水中懸浮顆粒上，以機械作用減小懸浮顆粒的體積。
本發(fā)明涉及一種采用生化膜減小懸浮顆粒體積和對廢水進行充氣的廢水處理方法。具體說，本發(fā)明采用減小普通懸浮固體顆粒(MLSS)體積、生化膜及水中靜止載體結(jié)構(gòu)、以及廢水充氣等方法對廢水進行處理。
以下通過對附圖的詳解，描述一個優(yōu)選的實施例。
圖1是生化膜充氣方法廢水處理設(shè)備的側(cè)面圖。含有大量污染物的廢水經(jīng)由入水口1進入預(yù)處理池。廢水可來自各種不同的地方，例如家庭下水道或城市下水系統(tǒng)。廢水中大量有機和無機物在預(yù)處理池4中被沉析出來，并在池底停留一段時間，在這段時間中，可對其進行物理和生化處理。由于厭氧菌的作用，有機物被分離，因此在預(yù)處理池底積累起一層淤泥。這種厭氧作用同時也減小了有機物顆粒體積。隨后，這些顆粒隨水流進入生化膜充氣池。含有(已減小的)懸浮顆粒和已溶有機物的廢水由出口5流出預(yù)處理池。
經(jīng)過沉淀和分離后的廢水由預(yù)處池4流入生化膜充氣池7，該池在此實施例中包括有塑料的生化膜載體結(jié)構(gòu)12，其上覆蓋有生化膜(有時也稱為“生化群體”或“生化介質(zhì)”)，以及一個水下機構(gòu)式充氣裝置，流入的廢水立即會混入正在池中進行處理的水中，其處方式是用一中空軸9與一電動機11(此例中電動機轉(zhuǎn)速為3450轉(zhuǎn)/分)相連的空心吸氣尾管8的旋轉(zhuǎn)來進行的。
由于吸氣裝置的旋轉(zhuǎn)，在尾管上小孔處產(chǎn)生了一種曳力和壓力差，空氣因此經(jīng)由通氣孔蓋22被吸入中空的空氣管道9而進入吸氣尾管8，空氣由此排入廢水中，并產(chǎn)生細小的氣泡。氣泡由吸氣尾管8排出后迅速混合。這一高速機械旋轉(zhuǎn)和空氣排入方法便產(chǎn)生了很好的氧氣轉(zhuǎn)換。
水下吸氣尾管8的旋轉(zhuǎn)速度以足夠?qū)⒁话銘腋」腆w顆粒(MLSS)的體積減小為宜。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)吸氣尾管的轉(zhuǎn)速以20英尺/秒(609.60厘米/秒)或更高的速度便可達到目的。由吸氣機尾管旋轉(zhuǎn)以及排出空氣上升而形成的水流使已減小的顆粒得以在生長有生化膜的生化膜載體結(jié)構(gòu)12之間循環(huán)流動，廢水的這種循環(huán)是由生化膜充氣池中吸氣機尾管8的旋轉(zhuǎn)以及由空氣經(jīng)空心的吸氣機尾管呈放射狀排入廢水形成水流而產(chǎn)生的。
處理工藝中使用的生化膜載體結(jié)構(gòu)的數(shù)量及形狀很重要。數(shù)量太多，以及空隙太小，很容易造成堵塞。而太少的生化膜又不能完全處理廢水。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，生化膜結(jié)構(gòu)占整個生化膜充氣池總量的10%至99%之間，再加上本發(fā)明所述的其它裝置，可以有效地進行廢水處理。此外，生化膜之間的孔徑也非常重要。因為如果孔徑太小，隨著生化膜的生長很容易造成堵塞。已發(fā)現(xiàn)孔徑在0.5英尺(1.27厘米)，或更大一點時較適于本發(fā)明。
廢水由于吸氣機的快速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的水流在生長有生化膜的管狀結(jié)構(gòu)間流動。因此小顆粒的懸浮固體和已溶有機物便被管壁表面上的生化膜吸收。生化膜中的微生物處于一個富有氧氣和營養(yǎng)的環(huán)境，因此有機物及污染物便被生化膜消化。廢水因生化膜的這種消化作用而被凈化。
未被生化膜消化的大顆粒有機物，以及從生長有生化膜管壁表面老化脫落的生化膜重新混入廢水中，并馬上被吸氣機尾管的快速運動破碎為小的顆粒。它們再一次循環(huán)流過正在進行消化的生化膜管狀結(jié)構(gòu)。經(jīng)過本發(fā)明方法處理后的廢水含有極少量的懸浮顆粒，這與目前使用的各種生化消化處理工藝有很大區(qū)別。
當生化膜充氣池7中大部分水流在循環(huán)運動時，水量會由于不斷從預(yù)處理池中流入的廢水而增加，這時一部分已處理過的廢水會經(jīng)由池壁14和折流板15之間的空隙流向沉淀池16。在沉淀池16中沉淀的所有固體，包括小片的脫落生化膜和較大的懸浮顆粒，均會由于生化膜充氣池中循環(huán)水流所產(chǎn)生的回流力而返回生化膜充氣池7。
本發(fā)明的一個實施例是利用池子的形狀以產(chǎn)生該回流力。圖1中的檔板14和15為平行裝入，擋板14可使生化膜充氣池中高速流動的水流可順擋板流下，并轉(zhuǎn)回該池，因而將沉淀池16中的沉淀物也一起卷回生化膜充氣池7，以進行再次處理。擋板可有不同形狀，任何能夠使生化膜充氣池水流和沉淀物進行再循環(huán)以減小顆粒體積和進行消化工藝的擋板形狀都可使用。
沉淀池16的上層清液可通過排水管20排出。
圖2是生化膜載體結(jié)構(gòu)實施例的俯視圖。生化膜載體的形狀可以有很大不同，但均可在本發(fā)明中有效地應(yīng)用。對載體的一個基本要求是，它應(yīng)能在生化膜充氣池中提供較大的表層面積以利生化介質(zhì)，或生化膜在其上面生長，從而消化懸浮的有機物顆粒。生化膜孔徑必須能夠滿足生化膜的正常生長周期(即生長和老化脫落)，由于生化膜可正常生長，在老化脫落后掉入池底，因此生化膜載體結(jié)構(gòu)才不會被堵塞。生化膜孔徑為0.5英寸(1.27厘米)或更大將很適于本發(fā)明。
圖3描述了本發(fā)明的充氣裝置。該裝置含有一個電動機11，其轉(zhuǎn)述可達3450轉(zhuǎn)/分。此外該裝置還含有一個通氣孔蓋，空氣經(jīng)由此通氣孔蓋被吸入中空的充氣管道9。本發(fā)明含有一個吸氣裝置8，其4個臂狀尾管中每一個在其尖端都均有一個小孔。但使用其它形式的尾管也是可能的。無庸置疑，本發(fā)明也可采用不同形狀的尾管。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，臂狀尾管轉(zhuǎn)動速度大于20英尺/秒(6.096m/s)時比較適用于將顆粒破碎減小。
圖4是吸氣裝置的側(cè)面圖。其吸氣尾管50是一中空部件，有臂狀尾管55、60、65由吸氣裝置的空心中部伸出。每一臂狀尾管均為空心且在其尖端部有一排放空氣的小孔70。
圖5是吸氣裝置的仰視圖，可以看到空氣是由臂狀管55、60、65排出。
圖6是吸氣裝置的俯視圖，可以看到吸氣機臂狀管55、60、65、75。通向吸氣裝置的管道也是中空的，由于吸氣尾管的旋轉(zhuǎn)，空氣經(jīng)由接口80被吸入吸氣裝置。
圖7是本發(fā)明鼓風(fēng)-生化膜實施例的圖解?？諝庥晒娘L(fēng)口70壓入管道72，并由較低處的、含有排氣孔的擴散器74進入生化膜充氣池。該擴散器含有至少一個帶有排氣孔的管，但通常都含有一組帶孔的排氣管，這種裝置被稱為管狀擴散器，逸出的空氣形成氣泡升向水表面，從而帶動了生化膜充氣池(圖中陰影部分)循環(huán)水流。當廢水流經(jīng)生化膜載體結(jié)構(gòu)處76時便會得到如前所述的生長在載體上的生化膜的消化處理。請注意池中鼓風(fēng)管道的位置是可以改變的，只要能夠在生化膜載體結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生水流以利廢水處理。
圖8是鼓風(fēng)-攪動-生化膜處理設(shè)備的側(cè)視圖。在本實施例中，空氣經(jīng)由鼓風(fēng)口80壓入空氣管道82，并由管道擴散器84排出。這可產(chǎn)生一股上升的氣泡，從而帶動整個生化膜充氣池中的水流處于循環(huán)狀態(tài)。本實施例中也裝有一個攪動裝置86，利用其快速旋轉(zhuǎn)的物理作用，更有效地減小顆粒體積。該攪動裝置可以是葉片式裝置，螺旋式裝置，或其它可以快速運動的攪動裝置。廢水由此流入生化膜載體結(jié)構(gòu)88，由那里的生化膜進行消化處理。圖中生化膜充氣池中水流的方向由點狀箭頭所表明。在這種條件下，池中經(jīng)充氣和攪動的廢水不斷循環(huán)流動，并持續(xù)流經(jīng)生化膜之間。
圖9是本發(fā)明充氣-生化膜實施例的圖解。在本實施例中(參見圖1)，采用了一個轉(zhuǎn)動的吸氣裝置92，該轉(zhuǎn)動的吸氣裝置產(chǎn)生的壓差使空氣經(jīng)由通向外間空氣的開口90吸入空氣管道96。此后，吸入的空氣下移至吸氣尾管被排放出，從而在池中產(chǎn)生氣泡并形成如圖中點狀箭頭所示的水流。廢水因此流經(jīng)生化膜載體結(jié)構(gòu)94，由生長的生化膜進行處理。在本實施例中，旋轉(zhuǎn)充氣裝置可以是一種吸氣裝置，也可以是一種葉片裝置，或其它具有相同機械充氣作用的裝置。該裝置同時取得了充氣及顆粒減小兩種功效。
圖10是本發(fā)明水面充氣實施例的圖解(水面充氣-生化膜設(shè)備)。一個快速旋轉(zhuǎn)的充氣裝置100和一個螺旋式推動器104可將生化膜充氣池中的廢水推升起來，廢水由水面充氣裝置的機械運動得到充氣，使有機物顆粒得以減小。水面充氣裝置的運動在池中產(chǎn)生一種水流使廢水可以流經(jīng)生化膜載體結(jié)構(gòu)102由生化膜進行處理。在本實施例中，水面充氣裝置可置于水面或略低于水面。圖中點狀箭頭表明了水流的流向。
圖11是水面充氣裝置的俯視圖。該水面充氣裝置含有一個帶有葉片的圓盤110，其葉片由圓盤沖銑而成且向下彎折與廢水接觸。這些葉片112、114、116、118可以由圓盤本身沖銑而成，也可由其它的葉片鉚裝在圓盤內(nèi)表面。當充氣裝置旋轉(zhuǎn)時，這些葉片不停地擊打廢水，從而將顆粒體積減小，并將整池廢水攪動，使其充氣。
圖12是水面充氣裝置的側(cè)視圖，圖中顯示圖11A-A截面的剖示圖，可見本實施例中的四個葉片中的兩個114，118。
圖13是本發(fā)明文丘里-生化膜實施例中的側(cè)視圖。本實施例含有一個水泵130，它將廢水吸入后泵入管道132和文丘里泵頭134。在泵頭134內(nèi)具有較高速度的廢水形成一個低壓狀態(tài)，而文丘里泵頭又與一通向外間空氣的空氣管道136相連。泵頭134內(nèi)的低壓狀態(tài)將空氣吸入氣管136，而吸入的空氣便與泵入的廢水一起由文丘里泵泵頭噴出。這種狀態(tài)下，廢水的充氣便在其由泵頭噴出之前已在文丘里泵頭中得以進行。整個過程形成了圖13中點狀箭頭所示的水流。在此狀態(tài)下，充氣后的廢水流經(jīng)生化膜載體結(jié)構(gòu)進行處理。本實施例的其它功能與前面所述的功用相同。
圖14是文丘里泵頭的側(cè)視圖。該泵頭134含有第一個噴嘴140，用于接收文丘里水泵(圖中未示)打入的廢水。該噴嘴使泵入的廢水以較快速度噴向第二個噴嘴142。這種快速度可以形成一個低壓區(qū)，空氣由此低壓區(qū)而被吸入空氣管136，吸入的空氣與由第一個噴嘴泵入的廢水攪和后，一同從第二個噴嘴142噴出。
圖15是本發(fā)明管狀充氣-生化膜實施例的側(cè)視圖。一個快速旋轉(zhuǎn)的推動器150安裝在由高速電機158帶動旋轉(zhuǎn)的中空管152的底部。中空管與一空氣通管154相聯(lián)，該通管通過開口156與外間空氣相通。推動器150的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個低壓區(qū)、空氣因此由開口156被吸入空氣通管154，并流向中空管152。推動器150和空氣的運動使生化膜充氣池廢水得到充氣和循環(huán)。
在一優(yōu)選實施例中，使用的由“混合液”所混合并得到稀釋了的廢水，這種廢水是指已被處理過而正在用本發(fā)明再次進行處理的廢水。因此本發(fā)明可在“連續(xù)使用”模式中使用。這種方法在社區(qū)城市廢水處理中特別有用，并可作為飲用水處理一個重要步驟。
在另一實施例中，廢水未與已處理過的水進行混合稀釋，因此本發(fā)明也可用于“分批處理模式(batchmode)”中。
在一優(yōu)選實施例中，載體結(jié)構(gòu)由塑料制成。在另一實施例中，載體由任何可生長生化膜的化合物制成。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，許多不同的載體制作材料均可達到相同效果，本發(fā)明中載體可采用由玻璃、陶瓷、金屬、橡膠、聚合物、纖維素質(zhì)材料及其它材料制成。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)裝置的幾種不同構(gòu)型在本發(fā)明也可以達到相同效果。例如，在一優(yōu)選實施例中，采用的是一種水下機械式充氣裝置，該裝置的作用是對廢水充氣，并同時將顆粒減小。
在一優(yōu)選實施例中，機械式充氣裝置含有一個聯(lián)接一中空管道的高速旋轉(zhuǎn)電動機。中空管道的另一端安裝有一個吸氣尾管。該尾管以及中空管道的一部分浸入水中，并由電動機帶動高速旋轉(zhuǎn)。這種運動具有兩種不同的功用。第一，由旋轉(zhuǎn)的中空吸氣尾管產(chǎn)生的壓力差使空氣經(jīng)由中空管道頭部的入口吸入中空管道。吸入的空氣沿中空管道降至吸氣尾管，并由尾管排出至廢水中。本發(fā)明所述的由此產(chǎn)生的排氣水泡大小可以不同，但均可產(chǎn)生充氣效果。然而，氣泡越小，效果越好。氣泡呈發(fā)射狀排入廢水中，因而將氧氣帶入廢水。這些氧氣加強了生化膜的效率和作用，也增加了廢水中溶解氧(DO)。充氣后的廢水由循環(huán)水流帶入生化膜載體結(jié)構(gòu)的塑料管道。該循環(huán)水流由吸氣裝置的旋轉(zhuǎn)和氣泡的上升而產(chǎn)生。第二，吸氣裝置尾管的快速旋轉(zhuǎn)也以機械作用將有機物顆?；蛐?。
在一些實施例中，吸氣裝置和管道的構(gòu)造以能夠?qū)⒋罅靠諝馀湃霃U水為標準。例如，可使用壓縮機使空氣能夠經(jīng)由軟管或管道進入吸氣裝置。
在一些實施例中，廢水充氣和有機顆粒的減小可通過不同的裝置來達到。例如，充氣裝置可安裝在充氣池的一面和幾面池壁上，而用于減小有機顆粒(MLSS)的裝置可采用一個或幾個機械式葉片。
此外，也可用一個水下空氣管及擴散器裝置進行廢水充氣。該空氣管可安裝在生化膜充氣池一面池壁上，該管可以有一個或一組空氣排出孔，或一套管狀擴散器。該管也可安在池外，但其空氣排出孔應(yīng)安在池壁的水下部分。
另一方法是池子本身建成一個可產(chǎn)生足夠水的流動的充氣水池。例如，可在池中安裝各種檔板。
在另一實施例中，水面充氣裝置可安裝在池中略低于水面的地方。在此種方式下，盡管對于在生化膜-充氣池底部而言是在生化膜-充氣池的最上部，也可達到如前文所述的充氣及顆粒減小效果。這種構(gòu)造同樣可以得到較好的顆粒減小，高量溶解氧(DO)和水流。
另一實施例使用一個有角度的中空管，該管底部安裝有一個快速旋轉(zhuǎn)的推動器或葉片。同樣地，空氣將由中空管吸入與廢水混合，并因此將廢水充氣而產(chǎn)生前文所述的必需的水流和顆粒的減小。
另一實施例是在池中使用一個文丘里泵，該泵與外界空氣或壓縮空氣相通。文丘里泵產(chǎn)生的壓力差將空氣由空氣管道吸入水泵與廢水混合。水泵和空氣因此在生化膜充氣池中產(chǎn)生了必不可少的水流以使廢水可在生化膜載體結(jié)構(gòu)之間循環(huán)流動。
在一優(yōu)選實施例中，生化膜由廢水及空氣中存在的微生物生成。在一些實施例中，某些品種的微生物可被引進生化膜充氣池中以形成不同成份的生化膜。例如，法國專利(FRNO.2612-915-A)中描述了采用微生物假單胞菌和芽孢桿菌(PseudomonasandBacillus)對二羥乙基胺廢水進行處理(見Rittman1987，132頁。該文描述了不同種類微生物在各種溶解氧濃度中的生長)。因此，本發(fā)明可采用種類繁多的微生物。
在一實施例中，在廢水處理前或處理中可加入某些化合物。例如，螯合劑;在廢水pH值與生化膜不匹配的情況下加入緩沖劑;可影響廢水中有機物顆粒(MLSS)的大小，或影響氧氣轉(zhuǎn)換，或影響顆粒與生化膜之間相互反應(yīng)的表面活性劑;可以將廢水顆?；蚪M成物酶化破裂的各種酶;廢水處理所需的各種化合物;以及其它有利于廢水處理及后續(xù)過程的各種合成物。
在另一實施例中，諸如鐵和其它化合物等營養(yǎng)物也可加入廢水中以增加生化膜的生長及活力，并可改變其組成。
本發(fā)明比目前使用的城市廢水處理方法有以下幾個優(yōu)點1、懸浮固體顆粒(MLSS)含量極低在一般情況下，現(xiàn)有水下生化膜處理工藝中的懸浮顆粒(MLSS)含量在100毫克/升到5000毫克/升之間。這樣便產(chǎn)生了大量淤渣。一般情況下，使用本發(fā)明，懸浮顆粒(MLSS)含量只有不到18毫克/升。這樣低含量的懸浮顆粒(MLSS)在沉淀池中只會形成極少量淤渣，因此本發(fā)明避免了生化膜充氣池和沉淀池中的淤泥積累。這一點是本發(fā)明一重要特點，因為淤渣的處理不論以金錢計算，或以對環(huán)境的影響來計算，其代價都是極昂貴的。此外，懸浮固體排放標準要求低于30毫克/升(如NSF一級標準和環(huán)境保護署對廢水處理廠的二級標準)的廢水處理廠，使用本發(fā)明可完全免去修建二次沉淀池，從而節(jié)省了處理工廠建設(shè)費用。
2、生化膜生成時期短現(xiàn)有方法中，生化膜從開始生長到可用肉眼觀察到，一般需用的三個星期。這一情況在處理工廠每一次關(guān)閉以清理堵塞管道后都會發(fā)生。在本發(fā)明中，生化膜的生長三天后即可觀察到，并會繼續(xù)茁狀生長。此外，本發(fā)明至今未發(fā)生堵塞現(xiàn)象，因而也節(jié)省了由于清理而花費的時間。這一點也使采用本發(fā)明的處理設(shè)備可以更長久地運行，即使不得不進行清理時，處理設(shè)備也會比采用現(xiàn)有的設(shè)備更快地投入全面運作。
3、消滅設(shè)備的堵塞本發(fā)明又一優(yōu)點是池中水流及減小的顆?？刂屏松さ暮穸龋蛊湟恢北３衷诓恢乱鸲氯暮穸壬?。生化膜的生長也更容易。因此會在一固定水域內(nèi)產(chǎn)生更強的作用，但并不會導(dǎo)致堵塞。在兩部使用現(xiàn)有水下生化膜工藝的設(shè)備，由于廢水懸浮顆粒大，以致生化膜變厚，但并不密實，使豎直的塑料載體堵塞，不得不每隔一段時間關(guān)閉設(shè)備以清理堵塞。但是，由于本發(fā)明而產(chǎn)生的低含量懸浮顆粒(MLSS)，密實的生化膜層，良好的水流循環(huán)，以及廢水中高濃度的溶解氧，生化膜充氣池以及塑料制成的生化膜載體結(jié)構(gòu)均得以正常運行，而不至被堵塞。
4、對突然超載荷的自動反應(yīng)突然超載荷可在流入的廢水量非常大或其有機物含量非常高的情況下發(fā)生。這種情況下，整個處理系統(tǒng)由于水流量非常大或水中懸浮有機物含量非常高而難以承受。在本發(fā)明中，由于池中懸浮顆粒(MLSS)含量極低，而生化膜數(shù)量及活力很大，因而不會發(fā)生處理后廢水仍含有大量有機物的情況。因此，在出現(xiàn)突然超載荷時，本發(fā)明可以很快恢復(fù)正常運作。故只有高質(zhì)量的經(jīng)處理后的水流不斷地排放出去，不會有不合格的污水排放出去。在一個突然超載的試驗中，進水量是設(shè)計負荷能力的一倍(100%)。使用本發(fā)明的排放水的質(zhì)量甚至更好，完全低于環(huán)境保護署最嚴格的標準。在一個200%超載荷試驗中，其結(jié)果也低于環(huán)境保護署30懸浮顆粒(SS)/130生化需氧量(BOD)標準。
5、高濃度溶解氧吸氣裝置的尾管通過放出空氣產(chǎn)生細小氣泡，有效地攪動水流并減小顆粒體積，并同時在廢水中產(chǎn)生了高濃度溶解氧。生化膜充氣池中的生化膜因此得以在相當高的溶解氧狀態(tài)下運作。在載體裝置表面生成的生化膜(其同時也生成在池中的靜止水面)得以在如此有利的環(huán)境中迅速成長，并高效率地作用于池中的有機物質(zhì)和有機顆粒。這種生化膜的額外生成是本發(fā)明的又一特點。在一個217天持續(xù)運行的試驗中，生化膜充氣池中的溶解氧(DO)含量為7.7毫克/升。基于環(huán)境的要求，環(huán)境保護署(EPA)對溶解氧的要求是6毫克/升或更高。當溶解氧(DO)含量不夠時，廢水處理工廠必須采用另一工藝將氧氣注入排放水中。本發(fā)明消滅了這種旨在提高排放水溶解氧(DO)含量的二次充氣程序，因而節(jié)省了這種排放前充氣程序所必須的花費。
6、排出水質(zhì)量穩(wěn)定附著在載體管壁生長的生化膜應(yīng)有一個良好的結(jié)構(gòu)，因而不會由于生長過厚而堵塞管道。厚度的控制是通過生化膜載體結(jié)構(gòu)之間的水流、細小的有機物顆粒，以及有利生化膜生長的充足氧氣來達到的。當一片老化的生化膜自生化膜載體上脫落下來時，會立刻被卷入經(jīng)過的水流，并被吸氣裝置尾管的機械運動破碎為極小的顆粒，隨水流再次靠近新生的生化膜，并被其消化。因此排出水會象某些效率不佳的處理工藝那樣受老化的生化膜的影響。
7、消滅了淤渣在傳統(tǒng)的活性污泥處理工藝中，必須將大量淤渣定期從各種處理池中取出，另用大體積的昂貴的消化裝置進行處理。此外，還必須不停地測量廢水中懸浮固體(MLSS)的含量，并不斷對處理工藝進行調(diào)整。如果沒有及時測量，排出水的質(zhì)量可能有改變。這種工藝所造成的大量淤渣必須由淤泥消化池、或淤泥收集池加以處理。
在本發(fā)明中，不需每天取出淤泥。由于處理池中低含量的懸浮固體(MLSS)，本發(fā)明幾乎不產(chǎn)生淤渣。這一點是本發(fā)明區(qū)別于任何現(xiàn)有技術(shù)的一個標志。因此，為處理淤渣而必須的土地填埋及消化裝置花費也由于本發(fā)明而消失。
8、易于操作維修本發(fā)明的一個實施例的唯一運動部件包含有一個高速電機和一個吸氣裝置。因為沒有通常的淤渣積累和空氣流的不斷調(diào)整，以及水面物清除裝置的二次沉淀池，該運動部件極易安裝運行。事實上，在目前已得到的試驗結(jié)果中，生化膜充氣池之后的沉淀池并非必要，因此，將淤渣返回處理池的裝置也可以節(jié)省。故本發(fā)明相對于同樣處理能力的現(xiàn)有技術(shù)更易操作。這是本發(fā)明又一特點。而本發(fā)明另一實施例甚至不需采用吸氣裝置，因此其操作更為簡單。
9、廢水滯留時間短由于生化膜的結(jié)構(gòu)，增加的溶解氧、及生化膜的有效作用，廢水在池中的滯留時間大大縮短，因而增加了整個設(shè)備處理能力。由于本發(fā)明效率如此之高，處理廢水所需時間，以及廢水在池中滯留時間相對減小，對于任何一個處理設(shè)備來說，較短的滯留時間意味著更大的處理能力，這是一個很重要的優(yōu)點，已由試驗廠的結(jié)果得以證實。該試驗廠注入高于普通流入量50%到100%的廢水以測定所需的額外處理時間。一般設(shè)備需15個月的時間處理這一超量負荷。而本發(fā)明只需幾個1小時！直至今日，該設(shè)備仍在繼續(xù)排放高質(zhì)量排出水，其運行未受任何影響。
這一優(yōu)點也可在前文所述的突然超載情況下得以證實。短的滯留時間表明處理的工作效率極高，這同樣表明本發(fā)明在突然超載情況下有足夠的能力處理廢水中增加的有機物。因此，處理池中良好的水質(zhì)可在突然超載情況下有效地處理新流進的廢水。這是本發(fā)明又一特點。
10、對溫度不敏感本發(fā)明不象傳統(tǒng)的活性污泥方法那樣對溫度敏感。天冷時，傳統(tǒng)的活性污泥工藝在池中積累更多的淤渣。當熱天來臨，如在春天，冷天積累起來的淤渣便會突然活躍起來，這種現(xiàn)象稱為“春天效應(yīng)(SpringTurnover)”，它可造成排出水中懸浮體(SS)的突然增加，這是因為該方法沒有應(yīng)付污泥突然增加的生化反應(yīng)能力而造成的。在春天效應(yīng)出現(xiàn)時，其排出水質(zhì)量明顯下降。
本發(fā)明克服了這些隨溫度而來的難題。由于沒有淤渣形成，所以根本沒有春天效應(yīng)現(xiàn)象。由于處理池中的懸浮固體顆粒(MLSS)含量一直很低，因此不會出現(xiàn)針形凝結(jié)物，這是本發(fā)明又一特點。
11、設(shè)備設(shè)計簡化由于生化膜處理池中懸浮固體顆粒含量低，沉淀池以及淤渣返回裝置便可以省去。其結(jié)果是可以大大節(jié)省新設(shè)備建設(shè)費用，本發(fā)明也可以使現(xiàn)有設(shè)備增加處理能力，并節(jié)省為處理更多廢水所需增添的設(shè)備。值得注意的是本發(fā)明在設(shè)計能力之內(nèi)，處理后的水質(zhì)量可一直保持良好，通常與現(xiàn)有技術(shù)中進行了再處理的排出水的質(zhì)量相等或更好。由于處理池的效率，預(yù)處理池可以省去，從而更進一步地節(jié)省了設(shè)備的費用。去掉預(yù)處理池和沉淀池而僅保留生化膜處理池，處理設(shè)備的建設(shè)便由此大大簡化。
12、工廠小型化由于本發(fā)明提供了效率更高的廢水處理方法，本發(fā)明使建設(shè)小型的處理工廠成為可能，并具有與采用現(xiàn)有技術(shù)的大工廠相同的廢水處理能力。這一點與前面所述的設(shè)備設(shè)計簡化是相輔相成的。
13、飲用水的處理由于本發(fā)明可有效地除去水中污染物及有機物質(zhì)，本發(fā)明也可作為飲用水處理的有效步驟，用以取代或減少飲用水處理中的其它步驟。本發(fā)明可以非常有效地除去水中污染物，因而可以簡化飲用水的其它處理步驟。本發(fā)明更適用非發(fā)達國家，因為這些國家的飲用水缺乏應(yīng)有的純度。
14、能量消耗減少本發(fā)明可以更有效地利用能源。這對發(fā)達國家固然重要，但對那些短缺電力和燃料的國家更為重要。由于本發(fā)明設(shè)備只需較短的處理時間，少需或不需第二個處理步驟，整個處理工廠便可節(jié)省由于額外處理時間及第二步處理所需的能源。本發(fā)明簡化了工廠的設(shè)備，只需較少的能源用于運作和維持，也減少了用于建筑的土地。
15、總費用的節(jié)省本發(fā)明使廢水處理的總費用得以節(jié)省。工廠的建造、操作及維持更簡單，花費更少。整個過程均可節(jié)省開支。排出水由于水質(zhì)良好而省去第二步處理。采用本發(fā)明可以達到環(huán)境保護署的標準，而省去了所需交納的罰金。最后，至使每加侖處理水的開支大的減少。
16、可使用其它消毒滅菌方法紫外線可用于處理水。由于混沌的廢水影響了紫外線的使用，紫外線因而不能穿透水層。本發(fā)明使排出水十分清沏，穿透力強，因此完全可以使用紫外線消毒。
17、不受廢水流量影響本發(fā)明對廢水流入量不甚敏感。此優(yōu)點可見于突然超載荷情況(可以是超量，也可是不足量)，排出水的質(zhì)量并不因廢水流入量的改變而受影響。實際上，在一個超載達到100%的試驗中，發(fā)現(xiàn)排出水的質(zhì)量竟比低流入量情況下的水質(zhì)更好。其它超載200%的試驗也證明本發(fā)明仍能達到環(huán)境保護署30/30的標準。這表明本發(fā)明有處理高流入量廢水的應(yīng)急能力，而其它處理設(shè)備則根本不可能。
18、不受生化需氧量(BOD)的影響就象本發(fā)明不受高流入量廢水影響一樣，本發(fā)明對生化需氧量(BOD)的升高也不甚敏感。在本發(fā)明中，生化膜可在很寬的生化需氧量(BOD)濃度之內(nèi)起有效作用，并仍能取得良好結(jié)果。
實施例下述實施例及實驗均基于相同的處理設(shè)備模式。所有處理池具有相同尺寸和相同的內(nèi)外構(gòu)型，以及相同的500加侖/日(1892.5升/日)的設(shè)計能力和處理能力?？傊?，下述所有數(shù)據(jù)均力求準確。在本發(fā)明實施例以及活性污泥工藝中采用的是基線工藝。
實施例1下述表格是采用活性污泥處理設(shè)備(AS)，使用一充氣裝置，但無生化膜，日處理500加侖/日(1892.5升/日)的試驗。這些設(shè)備具有相同的大小和構(gòu)型，并處理相同的廢水流。設(shè)備的設(shè)計與圖1相同，但沒有壁15，生化膜載體結(jié)構(gòu)12，及其支撐物12a。這些試驗是在流入廢水溫度10℃至24℃之間進行的。
試驗設(shè)備試驗地點試驗流量BODSSMLSSDO天數(shù)(加侖(毫克/升)/日)充氣噴嘴/NSF(1990)775003560106活性污泥工藝充氣噴嘴/NSF(1990)98500335397活性污泥工藝充氣噴嘴/NSF(1991)1335004510778活性污泥工藝充氣噴嘴/NSF(1992)203500374159活性污泥工藝從上可看出經(jīng)活性污泥設(shè)備處理后的排出水中生化需氧量(BOD)在35到45之間，懸浮體(SS)在41到107之間，懸浮顆粒在59到106之間。這與環(huán)境保護署標準BOD＝10，SS＝10，相去甚遠，甚至不能達到較松的環(huán)保署30BOD/30SS的二級標準。
實施例2下表數(shù)據(jù)是本發(fā)明幾個不同類型實施例的比較。鼓風(fēng)-生化膜，充氣-生化膜，鼓風(fēng)-攪拌-生化膜及水面充氣生化膜等均具有同樣的500加侖/日(1892.5升/日)的設(shè)計能力。這些實施例處理設(shè)備構(gòu)型在圖7-10中描述。這些實驗在靠近俄亥俄州克里夫蘭市附近進行。其中NSF試驗是指在國家環(huán)境衛(wèi)生中心(NationalSanitationFoundation)進行的試驗。該中心是密執(zhí)安州的一個工業(yè)實驗機構(gòu)。
試驗設(shè)備試驗地點試驗流量BODSSMLSSDO天數(shù)(加侖(毫克/升)/日)鼓風(fēng)-生Geauga955001011136化膜鼓風(fēng)攪動Geauga955001213226.1-生化膜充氣噴嘴Geauga955001111178.1-生化膜水面充氣Geauga9550098148.2-生化膜充氣噴嘴NSF2105001512187.6-生化膜上述試驗結(jié)果表明本發(fā)明優(yōu)于活性污泥處理方法，并表明不受溫度影響。生化需氧量(BOD)和懸浮體(SS)含量低而溶解氧(DO)含量高，因此第二步處理完全不必要。這些實際結(jié)果均接近于嚴格EPAO/O標準，并輕易地達到EPA30/30標準。
實施例3下表所列的是本發(fā)明的兩個實施例的結(jié)果，一個實施例采用了吸氣裝置(見圖9)，而另一個未采用(見圖7)，兩個均采用了靜止水下生化膜工藝，其日流量為750加侖/日(2838.75升/日)，即50%大于設(shè)計能力500加侖/日(1892.5升/日)。同樣，這兩個實施例均采用與前述活性污泥處理設(shè)備的相同構(gòu)型的處理池，只是根據(jù)本發(fā)明的特點，作了些改動。實驗均在9℃到14℃的溫度下進行。
試驗設(shè)備試驗地點試驗流量BODSSMLSSDO天數(shù)(加侖(毫克/升)/日)鼓風(fēng)-生Geauga32750974405化膜(1992)鼓風(fēng)噴嘴Geauga327501411198.5-生化膜(1992)從表中看到本發(fā)明實施例中的BOD和SS含量均大大低于活性污泥處理方法，并低于或近似于EPA10/10一般標準。本發(fā)明的優(yōu)勢顯而易見。
實施例4下表是本發(fā)明另外兩個實施例的結(jié)果。一為水面充氣加生化膜方式，另一為鼓風(fēng)-生化膜方式。二者流量均為1000加侖/日(3785升/日，即100%超出設(shè)計能力500加侖/日，1892.5升/日)。同樣，處理池的設(shè)計與活性污泥對照一樣，只在某些方面根據(jù)本發(fā)明作出一些改動。
試驗設(shè)備試驗地點試驗流量BODSSMLSSDO天數(shù)(加侖(毫克/升)/日)鼓風(fēng)-生Geauga3210001917185.9化膜(1993)充氣噴嘴Geauga4110006669.7生化膜(1993)從中可看出水面充氣加上生化膜方式更優(yōu)于鼓風(fēng)-生化膜方式。兩種方式的結(jié)果均優(yōu)于較低載荷下的活性污泥處理處理，并完全達到EPA30SS/30BOD的標準。
實施例5下表是本發(fā)明充氣噴嘴-生化膜實施例(圖9)在流量超額達200%(即1500加侖/日，5677.5升/日)，于1993年元月(即低溫情況下)在密執(zhí)安州NSF所作8天試驗的結(jié)果。
試驗設(shè)備試驗地點試驗流量BODSSMLSSDO天數(shù)(加侖(毫克/升)/日)充氣噴嘴NSF815002122249.9-生化膜同樣可再一次看出本發(fā)明可產(chǎn)生符合EPA30/30標準的排出水，同時也表明8天時間已足夠應(yīng)付各種緊急情況(如處理系統(tǒng)中其它部位停止工作)。
由上述實施例可知，本發(fā)明已發(fā)現(xiàn)一種高效率的廢水處理方法和設(shè)備。該行業(yè)技術(shù)人員對本發(fā)明可能會聯(lián)想到一些改動及其它有關(guān)方法。隨后的權(quán)利要求書將使這些改動及有關(guān)方法包含在本發(fā)明范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于城市、家庭和可進行降解的工業(yè)廢水及飲用水的處理方法，它包括以下步驟(1)在生化膜充氣池中將廢水充分攪動以促進生化膜生長，(2)將廢水中的懸浮體及已溶有機物顆粒減小，(3)在廢水中形成水流，使廢水得流經(jīng)具有上下兩部分的生化膜載體結(jié)構(gòu)，(4)生化膜在生化膜載體結(jié)構(gòu)壁上生長，該載體結(jié)構(gòu)處于水下靜止狀態(tài)，在其表面上生長生化膜，(5)由于生化膜的作用，將已變小的懸浮體顆粒及已溶有物顆粒消化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于使用至少一個水下葉片裝置將已溶有機物顆粒減小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述的充氣步驟是通過將空氣注入至少一個水下空氣管道，并由聯(lián)接在空氣管道另一端的管狀擴散裝置逸出，以形成水下充氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述的水流的形成步驟是通過廢水充氣和減小顆粒的方法進行的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述的生化膜載體結(jié)構(gòu)由各種管狀體組成，其橫截面可為方形、長方形、圓環(huán)形、橢圓形、三角形、八邊形或六邊形截面，或平行設(shè)置的表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于在需要的情況下，將所述生化膜充氣池中已經(jīng)處理過的水進行后續(xù)處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于其所述的后續(xù)處理包括在沉淀池中將水中所保留的懸浮固體及生化膜沉析出來。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于其所述的減小懸浮體和已溶有機物顆粒的步驟和充氣步驟可通過采用至少一個旋轉(zhuǎn)吸氣裝置同時進行。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于所述的在沉淀池中沉析出來的懸浮體和生化膜可送回生化膜充氣池中再次進行顆粒減小及生化膜消化步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于其所述的吸氣裝置包含有一個中空吸氣尾管，該尾管并包含有中空的臂狀桿，由中心部分向外呈放射狀伸出，且在每一臂狀桿另一端頂部有一小孔，該尾管以一足夠減小懸浮體和已溶有機顆粒的速度旋轉(zhuǎn)，該尾管另一端聯(lián)接一通向外間空氣的管道，由于尾管旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的低壓將外間空氣吸入，并順管道而下直至吸氣尾管，由吸氣尾管臂狀桿上的小孔排出。
11.根據(jù)權(quán)利要求2或10的方法，其特征在于葉片或吸氣裝置尾管的轉(zhuǎn)速至少為20英尺/秒(609.60cm/s)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或5的方法，其特征在于生化膜載體結(jié)構(gòu)占整個處理池體積10%和99%之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于生化膜載體結(jié)構(gòu)之間的孔徑至少為0.5英寸(1.27cm)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述減小顆粒的步驟在廢水注入生化膜充氣池前可通過生化膜厭氧消化有機物開始進行。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述充氣步驟可采用文丘里水泵進行，該泵一端聯(lián)接一通向外間空氣的管道裝置，文丘里水泵產(chǎn)生一種壓差而使外間空氣吸入空氣管道，并在文丘里泵中與廢水混合后噴出，在水中形成足夠帶動廢水流經(jīng)生化膜載體結(jié)構(gòu)間的水流。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述充氣步驟可采用水下中空管道，在管道外安裝一推動器，該推動器的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生壓差使空氣吸入管道，并在廢水中排出，在充氣同時，也產(chǎn)生可使廢水流經(jīng)生化膜載體結(jié)構(gòu)間的水流。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述充氣及顆粒減小步驟可通過在處理池廢水表面安裝一旋轉(zhuǎn)的水面充氣裝置來進行。
18.根據(jù)權(quán)利要求2或10的方法，其特征在于葉片或吸氣尾管安裝在至少與生化膜載體結(jié)構(gòu)下部相等的高度。
19.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于減小懸浮顆粒及已溶有機物的步驟由至少一個水下旋轉(zhuǎn)的葉片進行。
20.一種處理廢水的生化膜-充氣設(shè)備，它包括(1)一個預(yù)處理池，用以沉淀出廢水中的有機和無機物固體，和(2)一個與預(yù)處理池相聯(lián)的生化膜充氣池，該池包含有一個充氣裝置，將懸浮固體及已溶有機物顆粒減小的裝置和生長在水下生化膜載體結(jié)構(gòu)上的生化膜;在池中，廢水中懸浮固體顆粒及有機物的降解和消化是通過充氣裝置，將懸浮固體顆粒減小的裝置，以及生化膜消化功能和降解作用共同完成的。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的設(shè)備，其特征在于它包含有一個沉淀池，用于將處理后水流中存在的固體顆粒及生化膜在水排出該設(shè)備前沉析出來。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的設(shè)備，其特征在于所述的懸浮固體和已溶有機物顆粒的減小可采用至少一個旋轉(zhuǎn)的水下葉片進行，該片以一足夠減小廢水中懸浮固體顆粒的速度旋轉(zhuǎn)。
23.根據(jù)權(quán)利要求20的設(shè)備，其特征在于所述充氣裝置包含有至少一個水下空氣管道和至少一個聯(lián)接空氣管道的管狀擴散器，空氣由氣泵壓進空氣管道，并由含有至少一個孔的擴散器將壓入的空氣排入池中廢水。
24.根據(jù)權(quán)利要求20的設(shè)備，其特征在于所述的充氣裝置包含有一個水下吸氣裝置，該裝置有一中空吸氣尾管，中空的臂狀桿由尾管中心部位呈放射狀伸出，每一臂狀桿頭部有一小孔，該尾管的旋轉(zhuǎn)在外間空氣與尾管部之間產(chǎn)生壓差，該壓差使外間空氣吸入水下吸氣尾管并由此排入池中廢水。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，其特征在于所述吸氣裝置的旋轉(zhuǎn)不但造成充氣和顆粒的減小，也同時在池中形成足夠帶動廢水流經(jīng)生化膜載體結(jié)構(gòu)的水流。
26.根據(jù)權(quán)利要求20的設(shè)備，其特征在于所述的生化膜載體結(jié)構(gòu)由各種管狀體組成，管狀體的橫截面可為方形，長方形、圓環(huán)形、橢圓形、三角形、八邊形或六邊形。
27.根據(jù)權(quán)利要求20的設(shè)備，其特征在于所述的生化膜載體結(jié)構(gòu)及其表面的生化膜在生化膜充氣池中水下生成，并處于靜止狀態(tài)。
28.根據(jù)權(quán)利要求22或24的設(shè)備，其特征在于所述的葉片和吸氣尾管的轉(zhuǎn)速至少為20英尺/秒(609.6厘米/秒)。
29.根據(jù)權(quán)利要求22或26的設(shè)備，其特征在于所述的生化膜載體結(jié)構(gòu)占整個處理池體積的10%至99%。
30.根據(jù)權(quán)利要求20的設(shè)備，其特征在于所述的顆粒減小通過在預(yù)處理池中對有機物進行厭氧消化來進行。
31.根據(jù)權(quán)利要求20的設(shè)備，其特征在于，所述的充氣裝置采用文丘里水泵，該泵一端聯(lián)接一通向外間空氣的管道裝置，文丘里泵產(chǎn)生一種壓差而使外間空氣吸入空氣管道，并在文丘里泵中與廢水混合后噴出，在水中形成足夠帶動廢水流經(jīng)生化膜載體結(jié)構(gòu)間的水流。
32.根據(jù)權(quán)利要求20的設(shè)備，其特征在于所述的充氣裝置包含一中空管道，在管道外安裝一旋轉(zhuǎn)的推動器，其旋轉(zhuǎn)將空氣吸入管道并排入廢水，因此對廢水進行充氣和攪動。
33.根據(jù)權(quán)利要求20或12的設(shè)備，其特征在于所述的顆粒減小裝置安裝在廢水的水面處。
34.根據(jù)權(quán)利要求20的設(shè)備，其特征在于所述的懸浮固體顆粒及已溶有機物顆粒的減小裝置是一個吸氣尾管，臂狀管由尾管呈放射狀伸出，吸氣尾管的旋轉(zhuǎn)速度以足夠減小水中懸浮固體顆粒及已溶有機物顆粒為準。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的設(shè)備，其特征在于吸氣尾管同時也對廢水進行充氣。
36.根據(jù)權(quán)利要求20、22、24或35的設(shè)備，其特征在于所述的顆粒減小裝置安裝在至少與生化膜載體結(jié)構(gòu)下部相同的高度。
37.根據(jù)權(quán)利要求23的設(shè)備，其特征在于懸浮固體及已溶有機物顆粒的減小采用至少一個水下葉片，該葉片以足夠減小廢水中懸浮固體顆粒的速度旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
一種去除有機物，懸浮固體及其它污染物的廢水處理設(shè)備，它包含有一個預(yù)處理池、一個生化膜充氣池、及一個沉淀池。生化膜生長在生化膜充氣池中靜止不動的水下生化膜載體結(jié)構(gòu)上。水下及水面的充氣加上懸浮固體減小的裝置在生化膜充氣池中形成有效的水流。水流以及減小的顆粒使生長在生化膜載體結(jié)構(gòu)上的生化膜得以有效地消化有機物及污染物。
文檔編號C02F3/10GK1090556SQ9311729
公開日1994年8月10日 申請日期1993年9月20日 優(yōu)先權(quán)日1993年2月1日
發(fā)明者戴維S·麥克拉倫, 湯年發(fā) 申請人:杰特公司